Forskere kortlægger vejen til billigere fleksible solceller

Der er meget at holde af ved perovskit-baserede solceller. De er enkle og billige at producere, tilbyde fleksibilitet, der kunne låse op for en lang række nye installationsmetoder og steder, og i de senere år nået energieffektivitet, der nærmer sig traditionelle siliciumbaserede cellers.

Men det har været en udfordring at finde ud af, hvordan man producerer perovskit-baserede energienheder, der holder længere end et par måneder.

Nu forskere fra Georgia Institute of Technology, University of California San Diego og Massachusetts Institute of Technology har rapporteret om nye resultater om perovskit-solceller, der kan vise vejen til enheder, der yder bedre.

"Perovskite solceller tilbyder en masse potentielle fordele, fordi de er ekstremt lette og kan fremstilles med fleksible plastsubstrater, sagde Juan-Pablo Correa-Baena, en assisterende professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "For at kunne konkurrere på markedet med siliciumbaserede solceller, imidlertid, de skal være mere effektive."

I en undersøgelse, der blev offentliggjort 8. februar i tidsskriftet Videnskab og blev sponsoreret af US Department Energy og National Science Foundation, forskerne beskrev mere detaljeret mekanismerne for, hvordan tilsætning af alkalimetal til de traditionelle perovskitter fører til bedre ydeevne.

"Perovskitter kunne virkelig ændre spillet i solenergi, sagde David Fenning, en professor i nanoteknik ved University of California San Diego. "De har potentialet til at reducere omkostningerne uden at give afkald på ydeevnen. Men der er stadig meget at lære grundlæggende om disse materialer."

For at forstå perovskitkrystaller, det er nyttigt at tænke på dens krystallinske struktur som en triade. Den ene del af treklangen er typisk dannet af elementet bly. Den anden består typisk af en organisk komponent såsom methylammonium, og den tredje består ofte af andre halogenider, såsom brom og iod.

I de seneste år, forskere har fokuseret på at teste forskellige opskrifter for at opnå bedre effektivitet, såsom tilsætning af jod og brom til blykomponenten i strukturen. Senere, de forsøgte at erstatte cæsium og rubidium med den del af perovskitten, der typisk er optaget af organiske molekyler.

"Vi vidste fra tidligere arbejde, at tilsætning af cæsium og rubidium til en blandet brom og jod blyperovskit fører til bedre stabilitet og højere ydeevne, " sagde Correa-Baena.

Men man vidste kun lidt om, hvorfor tilsætning af disse alkalimetaller forbedrede perovskitternes ydeevne.

For at forstå præcis hvorfor det så ud til at virke, forskerne brugte højintensiv røntgenkortlægning til at undersøge perovskitterne på nanoskala.

"Ved at se på sammensætningen i perovskitmaterialet, vi kan se, hvordan hvert enkelt element spiller en rolle i forbedringen af ​​enhedens ydeevne, " sagde Yanqi (Grace) Luo, en nanoingeniør Ph.D. studerende ved UC San Diego.

De opdagede, at når cæsium og rubidium blev tilsat til den blandede brom og jod bly perovskit, det fik brom og jod til at blande sig mere homogent, hvilket resulterer i op til 2 procent højere konverteringseffektivitet end materialerne uden disse tilsætningsstoffer.

"Vi fandt ud af, at ensartethed i kemi og struktur er det, der hjælper en perovskit-solcelle til at fungere på sit fulde potentiale, " sagde Fenning. "Enhver heterogenitet i den rygrad er som et svagt led i kæden."

Ikke desto mindre, forskerne observerede også, at mens tilsætning af rubidium eller cæsium fik brom og jod til at blive mere homogene, selve halogenidmetallerne i deres egen kation forblev temmelig klyngede, skabe inaktive "døde zoner" i solcellen, der ikke producerer strøm.

"Dette var overraskende, " sagde Fenning. "At have disse døde zoner ville typisk dræbe en solcelle. I andre materialer, de fungerer som sorte huller, der suger elektroner ind fra andre regioner og aldrig slipper dem, så du mister strøm og spænding.

"Men i disse perovskitter, vi så, at de døde zoner omkring rubidium og cæsium ikke var for skadelige for solcellernes ydeevne, selvom der var nogle nuværende tab, " sagde Fenning. "Dette viser, hvor robuste disse materialer er, men også, at der er endnu flere muligheder for forbedringer."

Resultaterne bidrager til forståelsen af, hvordan de perovskit-baserede enheder fungerer på nanoskala og kan lægge grundlaget for fremtidige forbedringer.

"Disse materialer lover at være meget omkostningseffektive og højtydende, hvilket stort set er, hvad vi har brug for for at sikre, at solcellepaneler er udbredt bredt, " sagde Correa-Baena. "Vi ønsker at forsøge at opveje problemer med klimaændringer, så tanken er at have fotovoltaiske celler, der er så billige som muligt. "